2 MW风电机组叶片防除冰试验与能耗评估

文章针对凝冻积冰环境下风电机组叶片气热法防除冰技术展开现场试验,验证其防除冰效果及加热能耗。首先,分析了叶片表面结冰复杂过程并模拟计算NACA64618翼型表面积冰分布;然后,结合2 MW风电机组构建叶片主动气热法防除冰系统并实施现场示范工程;最后,开展了风电机组叶片静态除冰试验、防冰试验及防冰生产运行试验,辅助全景红外热成像检测分析叶片防除冰效果及加热能耗。试验结果表明,在冰厚为30 mm并控制加热温度为50℃的前提下,持续加热2 h后叶片表面开始融冰脱落,加热能耗功率不足50 kW。可为风电机组叶片气热法防除冰的工程应用系统设计提供参考。     

风力机叶片气热除冰效率影响因素分析

为分析风力机叶片气热除水效率的影响因素，基于气热法对风力机叶片除冰效果进行试验分析，重点考虑铺层结构的导热效率和鼓风机速度(或频率)对除冰效率的影响。首先对叶片构造和铺层结构进行介绍，通过对铺层结构厚度测量估算导热系数，根据冬季叶片覆冰位置，验证气热除冰时叶片导热分布合理性。之后通过改变鼓风机速度(或频率)进行现场叶片除冰试验。试验结果揭示了气热除冰系统在对风力机叶片除冰过程中出现的除冰不均衡现象的根本原因，表明在保证通风管出风口温度稳定的前提下，鼓风机速度(或频率)越高，叶片表面除冰均衡性越好，除冰效果越显著。此外，在使用更大鼓风机频率的同时增强叶片内部环流，合理设置叶片内部环流结构可有效提高除冰效率并减小除冰耗时。研究结果可为工程实践提供指导。     

风力机叶片气热除冰技术研究现状与展望

风电机组叶片结冰给风电场的运行安全和发电效益带来双重困扰,因此迫切需要对结冰较严重的风力机进行除冰技术改造。本文首先对风力机叶片4种除冰技术进行对比,并对其原理、适用性和可靠性进行了分析和比较。重点阐述了现有气热除冰技术的4种技术路线及方案,讨论了气热除冰技术方案的经济效益和热传递效果,并对气热除冰存在的主要问题进行说明。系统论述了该技术在能量利用效率和除冰效率方面仍具有极大的改进和提升空间,提出了气热除冰设备在标准化、控制系统轻量化、系统效率提升等方面的一些设想和展望。     

不同冷气/燃气温比下高温涡轮叶片旋流冷却流固耦合特性研究

采用流固耦合方法对燃气轮机高温涡轮叶片旋流冷却结构进行数值模拟分析。探究了不同冷气/燃气温度比条件下旋流冷却的流动与传热特性、叶片前缘区域固体温度、热应力以及热应变分布。研究表明：在进气腔入口雷诺数固定的条件下,随着温度比升高,冷气密度降低,冷气流速逐渐提升,同时湍动能升高,靶面努塞尔数逐渐升高;当温度比较低时冷气的流速较低、单位时间冷气带走的热量较少,当温度比较高时冷气温度较高、单位质量冷气所能吸收的热量有限,靶面处热流密度先升高后降低。受靶面热流密度分布影响,随着温度比升高,叶片前缘固体的温度、热应力以及热应变先降低后升高。     

垂直轴风机叶片覆冰数值模拟及其气动性能研究

研究升力型垂直轴风机叶片的覆冰特性,为风机的防冰、除冰系统研发提供帮助。文章对垂直轴风机叶片的雾凇覆冰物理过程进行了分析,建立了风机叶片覆冰的数值计算模型。通过SST k-ω湍流模型求解旋转叶片周围的空气流场,利用拉格朗日法获得过冷却水滴的运动轨迹及碰撞情况,结合覆冰时间推进法得到叶片表面的覆冰形貌,并通过流场计算分析覆冰对风机气动性能的影响。利用该计算模型研究了不同叶片翼型、叶片数量以及叶尖速比λ对垂直轴风机叶片覆冰的影响。结果表明:当风机的λ增大时,风机叶片表面的覆冰更多的向叶片前缘尖端区域集中,叶片后缘的覆冰量减少;在同一覆冰条件下,不同叶片翼型、叶片数量和λ对垂直轴风机的整体覆冰量、单个叶片的覆冰量以及叶片表面的最大覆冰厚度均产生重要影响;不同叶片翼型、叶片数量和λ的风机的静态扭矩特性受覆冰影响差异大。     

输电线路新型电磁防除冰

针对当前国内外高压输电线路除冰时需要线路停运,且需要较多的人力、物力、劳动强度大和危险等特点,提出了一种不停电电磁防除冰方法。基于高频电磁感应技术和热传导理论,建立了高压输电线路的防除冰物理模型,利用ANSYS参数化语言APDL进行编程,对输电线路物理模型中的电磁-热现象进行了耦合数值计算。通过对比不同电磁参数下输电线路温度的分布和变化情况,找到了影响输电线路温度变化的主要电磁参数,包括高频电流的频率、高频电流密度、感应线圈间距、感应线圈长度、感应线圈厚度和感应加热时间。据此对线圈尺寸进行了优化设计,使输电线路温度在0 ℃以上能够有效防除冰。     

风力机叶片前缘单排孔射流成膜特性研究

针对寒冷气候条件下大型垂直轴风力机叶片翼型前缘结冰问题,提出一种新的叶片防冰、除冰方法 -气膜加热法。通过在风力机叶片翼型前缘开设气膜孔,并对三维静叶片进行数值模拟研究,观察其成膜情况,从而确定孔径和孔间距大小。将设置好孔径、孔间距的三维风轮进行变工况非稳态数值模拟,通过分析三维风轮气动特性,确定最佳运行工况,并观察该工况下不同时刻叶片表面成膜情况。最后,运用相似理论,对按同比例缩小的原型机进行试验分析,将模拟结果与试验研究进行对比,发现两者平均转矩随尖速比变化趋势基本一致。说明开孔翼型不但能起到很好的防冰、除冰作用,而且适当开孔后叶片气动性能变化不大。     

带有热障涂层的涡轮叶片前缘气热耦合数值研究

采用气热耦合的数值计算方法以及考虑转捩的湍流模型,对采用热障涂层技术的某型气冷涡轮叶片前缘传热进行了数值研究.结果表明,由于热障涂层的高绝热性,热障涂层一方面大幅提高叶片的抗氧化和抗热腐蚀的能力,另一方面配合高效的冷却技术,可以降低金属叶片的工作温度和叶片内的温度梯度.     

长距离环路热管传热性能实验研究

基于航空航天等领域对环路热管长距离传热的需求,设计制造了一套传热距离8.1m的圆柱型蒸发器环路热管,试验了不同加热功率、不同冷凝温度下该环路热管的启动和变工况运行性能,并对其热阻及最大传热能力进行了分析。研究结果表明：当其他条件一致、初始气液分布相同和不同时,加热功率由100W增大至160W后,本研究中的环路热管启动时间和启动温升均发生一定程度的下降;加热功率100W时,冷凝温度由10℃降低至-10℃使得环路热管启动时间增加,加热功率160W时,冷凝温度由10℃降至-10℃对环路热管的启动时间影响不大。在冷凝温度0℃下,该环路热管在100~500W范围内均能稳定运行,且200W时环路热管传热效率最高,传热温差最小,稳定运行温度最低;另外,由于系统传输距离较长,每个工况达到稳定所需要的时间也较长,分布于1000至3500S内。随着加热功率的增大,环路热管热阻先减小后逐渐增大,该环路热管传热热阻最大不超过0.09℃/W,最小为0.024℃/W;随着传热距离的增大,管路的热损失增加,总压降和热阻也变大。当传热距离基本相同时,蒸发器容积的大小、冷凝器的冷凝能力及气液管线的布置形状均在一定程度上影响环路热管的最大传热能力。     

基于逆向工程的涡轮冷却叶片三维建模及数值模拟

针对典型涡轮冷却叶片,利用工业CT扫描、3D激光扫描、相关点云处理软件和三维建模软件,重构三维模型,进行高质量的网格划分,合理设置边界条件,对涡轮一级动叶进行气热耦合数值模拟分析.结果 表明:该一级动叶叶身温度分布均匀,最高温度约935 qC,低于材料可承受的温度,出现在前缘叶顶处,为涡轮叶片冷却结构的优化设计提供参考...     

燃气涡轮叶片内部冷却结构的设计与实验

通过某型号涡轮气冷叶片的设计与验证,建立了一种简化的气冷叶片流热解耦设计模拟方法,结合对流冷却、冲击冷却的实验结果,通过调整冷气参数,达到控制叶片表面温度的要求.在平面叶栅热风洞中,通过调整尾流板角度,控制叶片表面流动状态,满足叶栅流动的周期性条件,保证了热测量的正确性.完成了气冷叶片的设计、分析与验证的系列工作,为今后研制气冷叶片建立了扎实基础.     

基于流热耦合的燃气轮机透平叶顶冷却设计

燃气轮机透平叶顶区域存在复杂的流动和换热问题,承受很高的热负荷。为了降低透平动叶叶顶温度,在透平叶顶现有结构的基础上提出气膜冷却和气膜+内冷通道冷却两种叶顶冷却方案,并通过流热耦合计算分析冷却升级前后叶顶区域的换热和流动特性。研究发现：叶顶气膜冷却方案可有效降低叶顶温度,特别是叶顶前缘至中弦区域;而气膜＋内冷通道冷却方案基于外部气膜冷却,结合内部冷却通道设计,可进一步降低叶顶尾缘的温度;与原型叶片相比,气膜+内部冷气通道的复合冷却设计可以使叶顶尾缘最高温度降低24 K。     

双层涡轮叶片应力计算与分析

为了对可倒车燃气轮机中双层涡轮叶片应力进行分析,以双层涡轮叶片为研究对象进行反转状态下叶片的换热分析,并基于ANSYS Workbench软件在正车额定工况及倒车额定工况下完成了双层涡轮叶片的应力计算。结果表明：叶片在反转状态下会不断与周围空气产生摩擦,使得叶片温度大幅升高,降低了叶片应力;对叶片采取冷却措施后,双层涡轮叶片的大应力位置主要位于过渡段,通过随形加强筋及空心倒车叶片的优化方案,可使得正车额定工况下的叶片强度储备系数由1.1增加至1.65,满足了叶片强度设计要求。     

舰船燃气轮机高压涡轮动叶多维热耦合设计方法

针对舰船燃气轮机复杂高效冷却叶片设计,基于压力修正算法建立冷却叶片一维管网设计方法;通过快速求解可压缩边界层微分方程获得叶片外换热边界,基于参数化的叶片网格生成方法,采用全隐式有限体积的固体导热求解方法,构建了冷却叶片的耦合传热模型,开发了耦合传热计算程序。对某高压涡轮动叶进行多维热耦合设计,确定冷却流路及冷气分布,通过三维气热耦合计算验证了设计方案的可行性,通过对比分析验证了多维热耦合设计方法对主要流通单元的流量、压力误差小于5%,具备较高的工程应用价值。     

罩式退火炉加热罩改造

针对罩式退火炉加热罩存在助燃空气的换热效果不理想、煤气和空气混合不均匀、煤气燃烧不充分、煤气消耗高等系列问题,对换热器进行了改造,即将“单一箱型集中换热方式”改为“顶部环形对称换热方式”,空气预热温度由改造前的最高350℃增至430℃,换热效率提高明显.同时对烧嘴结构进行改进,在煤气管路内部靠近出口端处增设上、下空气导入支管,将原单一集中的煤气出口通道改为5路分散布置的煤气出口通道,使一次点火成功率由82％提高到91％,吨钢煤气消耗由104m3减少到81m3.     

大型燃气轮机透平第一级静叶表面温度分布的计算方法

利用附加源项法计算叶片外表面换热系数及温度分布,编制叶片内部冷却计算程序及壁面导热程序,应用该程序计算了某大型燃气轮机第一级静叶表面温度分布,对燃气涡轮叶片先进的内外部冷却系统设计方法的消化吸收奠定了基础。     

涡轮气冷技术研究进展

提高涡轮前进口温度是提升涡轮总体性能的有效方法,而叶片材料成为制约高性能涡轮发展的瓶颈。气冷技术可以满足现有叶片材料在更高温度环境中工作的需求。因此,研究冷气喷射技术的特性和规律,对于高性能涡轮的发展具有重要意义。本文重点介绍了近年国内外涡轮气冷技术的研究现状,提出研究过程中存在的问题,为后续的研究工作提供参考。     

涡轮薄层污泥干化的热质传递过程与关键参数研究

涡轮薄层污泥干化是涉及导热、对流传热与传质、高速旋流相耦合的复杂过程,掌握污泥的耦合干化机理与规律、确定干化设备核心参数,是该技术成功应用的关键。本文用机理分析方法构建涡轮薄层干化过程传热、传质的数学模型,基于该模型对污泥干化过程开展数值模拟,揭示涡轮薄层干化过程单一气相和气固两相流的速度、温度和含水率的分布规律,探究涡轮薄层干化的关键技术及参数。设计开发涡轮薄层污泥干化系统并开展实验研究。结果表明：干化机内部的桨叶阵列设计能够实现物料的顺利运输,桨叶末端是干化机内混合传热效果最佳位置,最优桨叶安装角度为45°,出口污泥含水率可降至20%。     

Design and thermodynamic analysis of compressed air energy storage system

压缩空气储能技术具有提升风能与太阳能等可再生资源电能质量的潜力,通过此项技术实现间歇性与不稳定性可再生电力的有效储存,进而在电网负荷高峰期以优质电力的形式稳定输出.结合热力学分析方法设计了储能功率56.58 MW,释能输出功率154.76 MW的压缩空气储能系统.在释能阶段透平机组配置上,参照GE 9171E燃机布置第二级透平入口参数,并以其812.41 K高温烟气余热提供第一级透平工质所需全部热量,无需为第一级透平配备专门燃烧器.在此思路下设计的压缩空气储能系统,热耗可降低至3783.96 kJ/(kW·h),储能系统的能量转换效率也高达56.11%.